[发明专利]一种空间机器人抓捕非合作目标的方法

说明书

本发明公开了一种空间机器人抓捕非合作目标的方法，包括：对空间机器人使用拓扑表示，并且建立空间机器人的几何模型和关节模型；基于递归牛顿‑欧拉算法建立空间机器人的逆动力学模型，基于组合体算法建立空间机器人的正动力学模型，基于拉格朗日力学算法建立空间机器人的动力学模型；空间机器人与非合作目标组合体构成闭环系统，并建立其闭环动力学模型，完成空间机器人对非合作目标的抓捕。该方法基于空间向量、多体动力学和矩阵理论，实现了空间机器人关节变量及机械臂末端力的联立求解，能够适用于多种构型的开或闭环机器人系统。

技术领域

本发明属于空间机器人控制技术领域；具体涉及一种空间机器人抓捕非合作目标的方法。

背景技术

空间机器人是一个典型的多体系统，其动力学建模主要研究驱动力与关节运动的关系，包 括逆动力学(由关节运动情况确定驱动力/力矩)和正动力学(由驱动力/力矩确定关节运动情 况)两个方面。其中，逆动力学主要用于反馈控制，正动力学主要用于仿真。一般拉格朗日方 程的算法复杂度(为机械臂连杆数)，及如何降低该算法复杂度是正动力学算法主要的研究课 题之一。

在逆动力学方面，最早提出的阶算法是Stepanenko和Vukobratovic提出的牛顿-欧拉方程 (NE)。Orin通过将力/力矩表示在当地坐标系上，使得这一算法更高效。Luh，Walker和Paul 将递归关系应用于NE，提出了一种非常高效的递归牛顿-欧拉算法(RNEA)，将大多数参数同 连杆坐标系固联，这也是目前被引用最多的方法。

在正动力学方面，Walker和Orin以RNEA为基础提出组合体算法(CRBA)，计算机械臂外 端组合体的惯性参数。他们假设所有关节速度为零，仅将一个单位加速度施加于某一关节上， 连续运用逆动力学，提高了惯性矩阵的计算效率。由于在某一时刻仅有一个关节处于运动状态， 模型简化为由静止的基座项和运动的外端复合刚体组成的单自由度系统。当机器人自由度较小 时，该算法的计算效率较高。Featherstone提出并发展的铰接体算法(ABA)是最早的1阶算法， 当机器人自由度较大时，ABA比CRBA更高效。正动力学的计算效率与惯性矩阵的计算紧密 相关，Lilly和Orin提出过四种计算惯性矩阵的方法，其中改进的组合体算法是最高效的。

以上研究均是针对一般的开环空间机器人。对于带有闭环的机器人动力学，国内外的研究 还不深入。Featherstone曾研究通用的闭环系统动力学，他将机器人关节分为树关节和环关节， 环关节视为施加于开环系统的约束条件，通过建立约束方程并与原动力学方程联立，获得闭环 系统动力学方程。该方法针对不同的构型的机器人系统，理论上可同时解得关节运动情况及约 束力，但在实际中经增广的惯量矩阵可能奇异，这意味着某些约束力可能是不定的。此外，对 适用于空间机器人抓捕系统的闭环动力学的研究，一般的做法是分别建立机器人和目标的动力 学方程，并通过末端接触力联系起来。这些研究大多只针对特定构型的机器人系统，不具有广 泛性。

现有的空间机器人对非合作目标的抓捕是空间机器人目前的主要课题之一。与单臂抓捕系 统相比，多臂抓捕系统具有稳定性好、可靠性高等优点。多条机械臂抓住同一目标后，空间机 器人与目标便会构成闭环系统，与一般开环形式的空间机器人相比，带有闭环的机器人系统会 具有一些完全不同的动力学特性。例如，闭环系统的自由度在不同的构型下不同，某些刚体间 作用力具有不确定性。目前对于带有闭环的机器人动力学，国内外的研究还不多，且主要关注 某种特定构型的空间机器人，不具有广泛性。

针对以上问题，本发明基于多臂空间机器人抓捕非合作目标的任务需求，建立能适用于不 同构型、开环或闭环机器人系统的动力学模型。

发明内容

本发明提供了一种空间机器人抓捕非合作目标的方法；该方法基于空间向量、多体动力学 和矩阵理论，实现了空间机器人关节变量及机械臂末端力的联立求解，能够适用于多种构型的 开或闭环机器人系统。

本发明的技术方案是：一种空间机器人抓捕非合作目标的方法，包括以下步骤：